太陽能逆變器設計注意要點及解決方法
時間:2013-06-03 點擊:2187 次

    當前,太陽能光伏市場(包括光伏模塊和逆變器)正以每年約30%的年累積速度增長。太陽能逆變器的作用是將隨太陽能輻射及光照變化的DC電壓轉換成為電網兼容的AC輸出;而對于廣大電子工程師而言,太陽能逆變器是一個值得高度關注的技術領域。因此下文將介紹太陽能逆變器設計所需注意的技術要點、挑戰以及相應的解決方法。 


基本設計標準 

基于太陽能逆變器的專用性以及保持設計的高效率,它需要持續監視太陽能電池板陣列的電壓和電流,從而了解太陽能電池板陣列的瞬時輸出功率。它還需要一個電流控制的反饋環,用于確保太陽能電池板陣列工作在最大輸出功率點,以應付多變的高輸入。目前,太陽能逆變器已有多種拓撲結構,最常見的是用于單相的半橋、全橋和Heric(Sunways專利)逆變器,以及用于三相的六脈沖橋和中點鉗位(NPC)逆變器;圖1所示是這些逆變器的拓撲圖(Microsemi圖源)。同時,設計還需遵從安全規范,并在電網發生故障的時候可以快速斷開與電網的連接。因此,太陽能逆變器的基本設計標準包括額定電壓、容量、效率、電池能效、輸出AC電源質量、最大功率點跟蹤(MPPT)效能、通信特性和安全性。
額定電壓:太陽能逆變器的主要功能是把來自光伏面板(有時是經過穩壓的DC電壓)的可變DC電壓轉換為AC電壓以驅動負載或給電網供電。最常用的單相和三相AC電壓分別為120V/220V以及208V/380V;而對工業應用來說,480V也很常見。對選定的逆變器拓撲來說,輸出AC電壓的范圍將決定DC母線電壓以及每個半導體開關的額定電壓。 


容量:它是太陽能逆變器額定功率的另一個說法。該數值在200W(面板集成模塊)到數百千瓦之間。容量越大,逆變器的體積越大、價格越高。太陽能逆變器的成本以美元/瓦來衡量。就一個恰到好處的設計而言,確定容量時,必須把浪涌、過載以及連續工作模式等情況考慮在內。 

效率:每個太陽能逆變器都有其對效率(輸出功率/輸入功率)的要求,例如,一個數千瓦系統的典型效率可達95%?;谔柲荜嚵械哪芰哭D換效率相對低(約在15%左右)的事實,所以,就以最小的太陽能面板獲得最多的輸出功率來說,高效逆變器具有非常重要的意義。 

電池能力:在逆變器的DC側加裝電池組起著能量緩存器的作用,它能平抑DC電壓可能的波動并把負載還未使用的能量存儲起來。電池能力的一個優點是當天黑時仍可持續提供能量。任何加裝了電池的太陽能逆變器都需要電池控制器,雖然在連接電網的情況一般用不到。 

輸出功率質量:源于逆變器內在的開關模式特性,其AC輸出波形并非理想的正弦波,且通常還包含由脈寬調制(PWM)引入的寬范圍高頻諧波。對許多電子負載來說,這些諧波有害無益;當并網時,這些諧波成為污染源。盡管有這些諧波,太陽能逆變器依然能夠對負載較差的功率因數進行補償,并弱化諸如電壓驟降和波動等電源質量問題。一款設計精良的太陽能逆變器應輸出近似正弦波并減少引入到電網內不期望的低頻成分。 

MPPT效能:太陽能面板的輸出將遵循電流-電壓曲線圖中不同光照條件下的一系列特性曲線,因此,為獲得最大功率輸出,需對電壓進行動態調節。最大功率點跟蹤手法類似獲取內燃機最佳效率曲線的作法,其中,扭矩和速度對應電流和電壓。過去10年間,開發出若干算法,其中最流行的是通過擾動電壓和觀察輸出的方法。 

通信特性:對一個數千瓦的太陽能逆變器來說,構建一個用于監控和數據存儲的通信連接很有必要。歸功于當今這樣一個數字時代,作為一種通用控制器的微處理器(MCU)很適合該功能。 

安全性:有兩個含義:1.當并網時,需仔細觀察波形并在掉電時,立即切斷連接;反孤島保護對此很關鍵。2.維護和維修時,工作人員應沒安全風險。 

并網逆變器需要在不降低功率等級的前提下,緊密匹配電網的相位和頻率。在并網時,逆變器能夠把負載用不了的電能回送至電網且無須借助體積龐大、成本高昂的能量存儲器件?;诎踩紤],并網的逆變器將在掉電時自動切斷且一般沒有用于存儲能量的電池組。同時,離網太陽能逆變器工作在獨立模式,無需與外部AC電網同步。所以,它不需要任何反孤島保護措施。 

另外,對于逆變器的并網設計和離網設計,兩者間的區別還在于輸出級。然而,在并網連接系統中,大多數情況下,DC/AC級由600V的功率MOSFET和/或IGBT所構建,離網系統則使用為電池級饋送的低壓輸出,主要的應用包括太陽能街燈照明或使用48V電壓軌輸出的太陽能輔助電信系統。在48V系統中,則一般選擇100V的功率MOSFET來構建全橋逆變器。下文也將會對太陽能逆變器中的MOSFET和IGBT的使用進行詳細介紹。 

系統效率可能成為了太陽能逆變器最重要的設計考慮因素,是不同競爭廠商之間優劣的區分要素。一臺20kWp安裝設備每天平均輸出電能為190kWh,若其效率從95%提高到96%,如果強制入網電價 (feed-in tariff)按0.40美元/ kWh,并以10年壽命周期來計算,其所節省約為逆變器自身成本的一半,因此效率的重要性不言而喻。 

一旦輸出功率確定了,則最高轉換效率和最低功率器件損耗講的就是一回事??紤]到光伏面板把太陽能轉換為電能的效率很低(一般只有15%),則能量逆變器的效率在減小太陽能面板面積和整個系統的體積方面就很有意義。除此原因外,器件的功率損耗將在硅裸片上產生熱從而導致溫升,因此,必須有效散熱。這些損耗導致的熱過力是高可靠設計必須竭力應付的且必須要用到散熱器。眾所周知,散熱器個頭大、價格高;另外,其采用諸如風扇等器件使散熱器的可靠性不高。換句話,盡可能小的功率損耗不僅節省能量,還可以提升系統可靠性,使系統更緊湊并降低了成本。 

由于現有逆變器的第一次故障平均時間約是5年,因此太陽能逆變器成為造成光伏系統諸多故障的主要原因。為提升逆變器設計的可靠性,需考慮如下因素并采取相應措施,包括:低損耗功率器件和開關電路、更新的封裝技術、對電解電容器的替代、過設計、器件的冗余以及對常見失效模式和原因等的深入分析。 

Microsemi(美高森美)半導體的應用工程師經理錢昶指出,電和熱方面的過載是導致失效的兩個原因,選擇能效更高的器件和電路會降低逆變器自身的功耗并進而降低功率器件的結溫且同時降低了熱過力;過設計是使電和熱應力遠遠低于器件所能承受水平的另一條途徑;而冗余設計使器件交替工作,從而分攤降低了每一器件所受的壓力。 

但,過設計和冗余設計將顯著增加成本,而這是制造商所不希望的。因此,更可行、成本更低的作法是研究失效模式和成因然后將該信息回饋至產品進行重新設計。當然,這就需要對大量產品進行現場測試以便發現并驗證故障機制和模式。 

此外,錢昶認為太陽能逆變器可靠性設計的其它挑戰還應包括:具有低可靠性的電解電容并且以合理價格找到不同種類高壓、大容量電容器的技術難度;缺少結構化方法進行產品規劃和質量控制的不成熟制造工藝也將損害可靠性;另外,工作在惡劣環境下(極低或極高溫、潮濕和曝曬)也為可靠性設計帶來挑戰。 

飛兆半導體技術行銷助理經理Eric Zhang也認為系統所需的母線電容的確成為影響可靠性的最重要因素,因此設計通常會選擇電解電容器,因為它耐受日常溫度變化循環,并可在高溫下運作。設計人員還必須了解將要并網發電之太陽能電池的額定輸出功率,從而選擇合適的拓撲(請參考圖1),并使用具有足夠耐壓的功率開關器件。 

而英飛凌的高級工程師Jerome Lee則建議,可通過降低電解電容中的紋波電流以延長逆變器的使用壽命。當開關的高頻操作與高效率目標發生沖突,需要考慮電容器組是否過大或是出現多相系統。而除了電解電容老化問題,他認為電壓額定值下降以及散熱效果是影響也是太陽能逆變器可靠性的主要因素,最具成本性能優化的是使用600V級別的功率器件。這時可以通過使用過壓保護系統或降壓變換器作為輸入級以將電壓應力減少到500V以下。 

IGBT抑或MOSFET? 

半導體器件影響逆變器設計的主要因素可以概括為:器件擊穿電壓、封裝、熱阻(從結到外殼)、電流等級、導通電壓或導通阻抗、寄生電容、開關速度和成本。而設計人員在為太陽能逆變器設計選擇功率逆變器件時又將有具體的考慮呢? 

就MOSFET和IGBT來說,其選用決策視性能和成本間的權衡而定。一般說,因IGBT的電流更大(是MOSFET的兩倍多),所以采用IGBT方案的成本比采用MOSFET的成本低。除成本方面的考慮外,器件性能可由功率損耗表度,而功率損耗可分為:導通和開關兩類。作為以少數載流子為基礎的器件,在大電流下,IGBT具有更低的導通電壓,也就意味著更低的導通損耗。但MOSFET的開關速度更快,所以開關損耗比IGBT低。因此對于要求更低開關頻率且更大電流的應用來說,選擇IGBT更為適合而且具備更低成本優勢。另一方面,MOSFET有能力滿足高頻、小電流應用,特別是那些開關頻率在100kHz以上的能量逆變器模塊的需要。雖然從器件成本角度看,MOSFET比IGBT貴,但其處理更高開關頻率的能力將簡化輸出濾波器的磁設計并將顯著縮小輸出電感體積。 

基于上述原因,更多的制造商因此傾向于在中高水平的能量逆變器中采用IGBT。而據Microsemi的錢昶介紹,該公司的MOS8 IGBT在靜態和動態測試(最小化的總體功率損耗)方面的優化性能可出色勝任這些應用的要求。另一方面,他強調,即便MOSFET的成本是個主要考量,但為實行一個更優方案,也應重新審視采用MOSFET的潛力,諸如Microsemi的MOS7/MOS8 MOSFET所具備的領先特性就非常適合太陽能逆變器的設計。 

DC/AC變換級通常由兩個快速開關設備和兩個用于極性選擇的開關所組成,所以主要損耗表現為傳導損耗,也因此需要功率器件具備非常低的正向電壓降。功率MOSFET相對于IGBT的一個優勢是其不存在拐點電壓(knee voltage)。而逆變器設計需要考慮高達700V的輸入電壓,系統這時會考慮采用降壓轉換器作為其第一個功率級。 

英飛凌奧地利公司的高級工程師?Uwe Kirchner對此建議通過并聯三個英飛凌CoolMOS CP系列器件,以在600V級別上獲得少于15m歐姆的導通電阻,而CoolMOS 900V系列產品可提供最大導通電阻為130m歐姆的器件。但是對于慢速開關設備,他推薦使用600V 的Trench Stop IGBT。 

該公司電源分立器件部負責人Gerald Deboy博士也為逆變器設計的器件選型補充了自己的看法,他認為使用CoolMOS CP還是CoolMOS CED要取決于體二極管的要求。在逆變器中,當體二極管在電壓過零點或無功功率的傳遞過程中的硬換流現象時,使用CED較為有利。而對于IGBT的反并聯二極管,則選用SiC肖特基勢壘二極管比較合適。因為這時,降壓級的續流二極管(free wheeling diode)或電隔離系統中的整流二極管都可從SiC肖特基勢壘二極管的零反向恢復特性中受益。 

飛兆半導體的Eric指出,在太陽能逆變器拓撲通常也可能包含一個升壓級,將輸入DC電壓提升至充分高于所需峰值輸出電壓的水平,然后通過DC/AC逆變并入電網。對于升壓轉換器來說,人們最關心的是升壓二極管的開關損耗,反向恢復電荷可能引起高損耗(這取決于功率范圍,升壓轉換器通常使用連續導通模式,這給二極管帶來顯著的應力)。用于這一功率級的MOSFET的開關損耗亦很重要,因此可考慮選擇先進的超結器件(例如600V SuperFET MOSFET)以減少開關和導通損耗。在逆變器級中,通常使用專為軟開關而優化的低速 IGBT,以減小輸出濾波器的體積,從而降低濾波器的能耗。同時,由于IGBT本身具備穩固性,可以更好地抵抗電網的峰值電壓,許多逆變器使用專有拓撲以進一步提升效率,增添更多的功能特性。 

實現太陽能逆變器的智能控制 

設計太陽能逆變器時要考慮的兩個關鍵因素是效率和諧波失真。效率可分成兩個部分:太陽能的效率和逆變器的效率。逆變器的效率在很大程度上取決于設計使用的外部元件,而不是控制器;而太陽能的效率與控制器如何控制太陽能電池板陣列有關。每個太陽能電池板陣列的最大工作功率在很大程度上取決于陣列的溫度和光照。MCU必須控制太陽能電池板陣列的輸出負載,以使陣列的工作功率最大。由于這不是一個數學密集型算法,因此可使用低成本MCU來完成任務。 

而要智能化控制諧波失真,則需要更多處理。若要將系統用作不間斷電源(UPS),則需要諸如DSC或DSP等高性能控制器來確保在電網不存在時提供清潔的電能。若太陽能逆變器只在電網存在時工作,則可使用低成本MCU。這是由于電網能吸收太陽能逆變器產生的所有諧波失真,因為電網可以被看作是一個無窮大的負載。對于高諧波失真的太陽能逆變器,Microchip技術開發部的首席應用工程師John Charais推薦使用Microchip的PIC16F和PIC18F MCU系列,這兩個系列帶有片上ADC和PWM模塊,同時PIC12F615到PIC18F “K”或“J”系列MCU等更大的器件均適用。對于低諧波失真的太陽能逆變器,推薦使用PIC32F/30F MCU和dsPIC33F DSC。 

此外,TI對太陽能等可再生能源的應用也很關注,但這家以DSP而著名的公司目前向太陽能智能控制領域提供的是兩款由DSP演變而來C2000系列MCU。TI高級嵌入式處理器產品部中國區經理譚徽博士認為,標準太陽能系統在多個太陽能電池板上使用一個逆變器,而據相關的研究顯示,連接至每個太陽能電池板的微型逆變器能提升功率轉換效率以提高每個單電池板的輸出,因此TI的C2000 Piccolo和Delfino MCU非常適用于太陽能逆變器應用。其中,Piccolo MCU可為太陽能電池板提供更高的工作效率以及太陽能逆變器控制功能;而Delfino浮點MCU通過不同的AC來源提供常量AC電壓,AD/DC整流器后續DC/AC逆變器,在高壓(約600V DC)下同步并精確控制功率級。

 

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